短切碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的冲击动力学特性研究

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碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料作为一种近些年来较新的新型纤维增强陶瓷基复合材料(FRCMC),其不仅硬度与强度高,而且还具有耐高温、耐磨损和抗氧化等一些其他高强材料不具备的性能。无论是在航空航天领域,还是在刹车系统和高温结构件领域,C/SiC复合材料的应用随处可见,已经成为当今材料科学研究的焦点之一。  本论文针对C/SiC陶瓷基复合材料的应用背景,使用高温浸渍裂解法(PIP)将原料球磨,经过模压和高温烧结制得制得掺有短切碳纤维的C/SiC陶瓷基复合材料。  对三种不同短切碳纤维体积含量(12%、21%、24.8%)的C/SiC复合材料利用霍普金森压杆(SHPB)装置进行了常温和三种高温(100℃、200℃、300℃)条件下的动态压缩力学试验,根据不同应变率下的试验结果分析了其动态破坏强度和应变率效应的关系以及破坏强度和温度大小的变化关系,阐明了其破坏机理。实验结果表明:三种短切碳纤维体积含量的C/SiC陶瓷基复合材料在不同温度下的动态应力-应变曲线光滑无震荡,且具有一定的自相似性。在同一高温和相似平均应变率下,当短切碳纤维体积含量的不断提高,则C/SiC复合材料的破坏程度不断降低,整体性越来越好,说明短切碳纤维体积含量的提高对C/SiC复合材料的强度有着积极的作用。  对三种短切碳纤维体积含量(12%、21%、24.8%)的C/SiC陶瓷基复合材料进行动态劈裂实验,实验结果表明:C/SiC复合材料试件在对径冲击劈裂破碎过程中,冲击气压的不断增大伴随着试件应变率增加,揭示出两者较强的相关性;且应变率时程曲线有一段近似的恒应变率加载段。  利用扫描电子显微镜(SEM)对C/SiC复合材料试件的破坏界面进行了扫描,分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征与增韧机理。由复合材料的断口形貌可知,在各个复合材料的断口处均有明显的纤维拔出,且随着短切碳纤维体积含量的增加,断口处被拔出的纤维数量显然增多,且拔出后的长度也相对较长,由此可以推断出纤维拔出是C/SiC陶瓷基复合材料的主要吸能和增韧机制。
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